无刷自励多相空芯脉冲发电机及其脉冲成形技术研究

Air-core pulsed alternators are considered to be one of the most potential miniaturization of high-energy pulses power supplies for its three functions that are high density energy storage, high power discharge and pulse forming. Its key technologies include development of the electrical machine, pulse forming technology and so on. Compared with traditional iron-core alternator, the air-core ones can reach higher energy storage density and power density. But it also brings some disadvantages, such as much higher exciting current and low efficiency, inflexible discharge pulse waveform and small scope of application. The goal of this project is to realize the brushless excitation of the air-core pulsed alternator and the flexible adjustment of the output pulse waveforms，thus improving system efficiency and versatility，through new alternator structure and windings style design, combined with an optimized control strategy. The rotary air-core pulse transformer excitation structure is proposed to solve the high-speed reliability issues of the brushes and slip rings caused by high current. The pulsed self-excited and separately excited modes are used to realize the flexible adjustment of the field current waveforms. The dual two-phase electric armature windings structure and zero flux discharge control strategy are designed and taking advantages of the characteristics of the two-phase armature winding magnetic decoupling to enable the flexible adjustment of the discharge pulse waveform. Therefore, these measures improve the operational performance of the air-core pulsed alternator and expand its scope of application which promotes progress of the pulsed power system technology based on compensated pulsed alternators.

空芯脉冲发电机因具备高密度储能、高功率放电和脉冲成形三大功能于一体，是最具潜力的小型化高能脉冲功率电源之一。其关键技术包括电机本体研制及其脉冲成形技术等。空芯脉冲发电机相对铁芯电机具有更高的储能密度和功率密度，但也带来励磁电流大、系统效率低；放电脉冲波形可调性差、适用范围小等问题。本项目旨在通过新的电机结构和绕组设计，结合优化的系统控制策略，实现空芯脉冲发电机无刷励磁和输出脉冲波形的灵活调节，以提高系统效率、可靠性和通用性。利用空芯旋转脉冲变压器无刷励磁，解决有刷励磁方式下高速大电流所导致的发热及可靠性差的问题；通过无刷励磁的方式，实现对励磁电流波形的灵活调节；采用双两相电枢绕组结构，利用两相电枢绕组磁场解耦的特性，实现放电脉冲波形的灵活调节。因此，提高空芯脉冲发电机的运行性能，并拓展其应用范围，促进补偿脉冲发电机型高能脉冲电源系统技术进步。

空芯脉冲发电机因具备高密度储能、高功率放电和脉冲成形三大功能于一体，被认为是最具潜力的小型化高能脉冲功率电源之一。空芯结构相对铁芯结构具有更高的储能密度和功率密度，但也带来励磁电流大、放电脉冲波形可调性差等问题。如何通过电机与系统方案优化，得到通用性强高性能脉冲功率电源是本课题需要研究的问题。.本项目拟采用旋转交流励磁，通过脉冲自励和他励相结合的方式，既可以对励磁电流波形进行调节，又解决高速大电流所导致的电刷磨损及发热；采用双两相电枢绕组结构及零磁通放电控制策略，利用两相电枢绕组磁场解耦的特性，实现放电脉冲波形的灵活调节及与负载的良好匹配。因此，通过系统级优化设计及与负载匹配的脉冲成形技术，可充分发挥出空芯脉冲发电机电源系统各种优越性能。.本项目通过四余年的研究工作，已基本完成项目计划的大部分内容，验证了提出的无刷励磁空芯脉冲发电机的结构与原理的正确性。此外本项目还提出了电动/发电一体化无刷励磁空芯脉冲发电机系统结构，使得空芯脉冲发电机进一步小型集成化。.本项目的主要研究成果和结论：.（1）提出了一种电动/发电一体化无刷励磁多相空芯脉冲发电机可行的新型方案，不仅解决了传统空芯脉冲发电机有刷励磁方式下高速大电流所导致的电刷滑环可靠性问题，还省去了为励磁绕组提供种子电流的电容器组，并集成了外部拖动电机运行的原动机，实现了空芯脉冲发电机进一步小型集成化；.（2）提出了一种新型笼型交叉绕组及其设计方法，省去了反相序连接绕线式绕组的四个端部，减小了转子电阻（损耗），缩短了电机长度，提高了电机功率密度，这种结构亦能在普通的铁芯级联式无刷双馈电机内采用。.（3）研究了无刷励磁空芯脉冲发电机的设计方法与性能分析理论，主要包括：该新型电机的基本运行原理、电机内电磁场的分析方法、稳态等效电路模型、电机系统在d-q坐标系中的动态方程组、全套电磁参数及结构参数的计算程序、模型的设计与优化、模型机性能仿真、高速转子静力学与动力学仿真、电机温升仿真等。.（4）研制了一台电动/发电一体化无刷励磁空芯脉冲发电机样机，并开展了电机测试基本实验及低速时集成原动机励磁的脉冲放电实验。实验结果与仿真结果基本吻合，验证了电机的运行原理。.（5）已经发表学术论文27篇，包含SCI收录论文22篇。.（6）培养博士研究生1名，硕士研究生2名。